同向旋转涡对发声的数值研究

为深入探索流动发声的机理,将Ribner和Meecham提出的膨胀理论扩展到有背景流场存在的情形下,并对同向旋转涡对的发声问题进行了数值求解。空间离散采用高精度谱元法,时间推进采用隐式Newmark法,并在外边界采用Eliane-Dan-Thomas吸收边界条件。计算结果与用匹配渐进展开法得到的解析解进行比较,数值解与解析解吻合较好。另外计算了同向旋转涡对在不同旋转马赫数、均匀流场、剪切流场影响下的发声情况,并且对其频谱成分进行了分析。研究结果表明:谱元法结合膨胀理论能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题;吸收边界条件的使用有效降低了声波在边界处的反射;随着旋转马赫数的增大,声波波长减小,声源强度增大,峰值频率也随之增大;在均匀流场和剪切流场的作用下,声场呈现了典型的多普勒效应。

不可压缩旋转涡对的流噪声计算研究

相隔一定距离的两个同向旋涡相互诱导而形成绕中点旋转的涡对,进而诱发流噪声。该文基于不可压缩流场提供的非稳态流动信息,采用黏声分离法研究水流场中旋转涡对的声学特性。计算结果同理论值进行比较,并探讨了计算条件对计算稳定性和准确性的影响。计算结果表明:在选取合适的计算参数(人工阻尼、网格尺寸和时间步长)的情况下,黏声分离法方法适用于预测水流噪声。对不可压缩旋转涡对的声场特性进行分析,得到旋转涡对声压图案类似四极子,在远场接近圆柱波;随着旋转马赫数的增加,声压级增大。

旋转流线涡技术对驻涡燃烧室性能的影响

基于凹腔驻涡燃烧室的基本结构,提出了一种新的燃烧流场组织技术———旋转流线涡技术,并通过数值模拟,对比分析了不同进气条件下该技术与传统驻涡燃烧技术对燃烧室涡及燃烧性能的影响。结果表明:与传统驻涡燃烧室相比,旋转流线涡技术燃烧室有更好的流场形式,其在凹腔内形成的涡更靠近凹腔顶端、范围更大,更不易脱落,空气与燃料的掺混更加充分。旋转流线涡燃烧室的燃烧效率高于传统驻涡燃烧室,且火焰长度更短,但总压损失比传统驻涡燃烧室大2%左右,损失了一定的经济效益。

涡环旋转伞流固耦合特性分析

以一种典型的涡环旋转伞为研究对象,采用任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法模拟其在无限质量条件下的充气展开过程。计算得到了涡环旋转伞的充气展开和转速、开伞动载等时程变化曲线以及稳态阶段伞周围流场变化规律、伞衣织物的结构强度等流固耦合特性。结果表明:涡环旋转伞在来流12m/s时稳定转速约为3.1r/s,伞衣幅充满外形饱满,与伞塔试验结果吻合;稳态阶段涡环旋转伞上方产生大量涡核,涡核中心的连线类似于空间螺旋线;涡环旋转伞的阻力系数大于一般结构轴对称降落伞;伞衣幅与伞绳连接区域以及边缘区域应力明显高于伞衣幅平均应力水平。

涡环旋转伞系统开伞充气过程仿真研究

涡环旋转伞是一种典型的旋转降落伞,可靠充气展开是其旋转稳定工作的前提。文章以一种典型涡环旋转伞系统为研究对象,采用任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法研究了无限质量和低速气流条件下的开伞充气展开过程。获得了充气过程中伞衣幅和伞绳的动态变化过程以及开伞动载、伞衣展开直径、伞绳拉力等时程变化规律。结果表明,非轴对称结构的涡环旋转伞系统在合适的开伞条件下,短时间内可实现稳定旋转,并具有良好可靠性。研究结果对旋转伞系统的减速导旋机理及其结构优化设计具有参考意义。

涡环旋转伞系统减速导旋效率研究

为了解涡环旋转伞的减速导旋特性,提高旋转伞系统的减速导旋效率,以满足某些载物工作状态对转速、落速的苛刻需求,设计一种由涡环旋转伞和圆形减速伞构成的组合伞系统。制作单伞系统和组合伞系统的试验模型,分别进行伞塔试验。基于伞塔试验的高速摄影和图像处理技术,提取伞物系统的弹道数据点,结合弹道模型,用最小二乘法拟合时间弹道数据,得到单伞系统和组合伞系统的极限速度和阻力特征。基于姿态存储测量法,获得伞物系统的转速变化规律。对单伞系统和组合伞系统的弹道规律及减速导旋效率等数据进行对比分析,提出可有效提高旋转伞系统转速落速比的方法。结果表明:对高速录像进行图像处理可简单快速有效地提取伞物系统的极限速度和阻力特征;单具涡环旋转伞可提供更大扭矩,使载物旋转加速度更大,其导旋效率高;组合伞可提供更大阻力,使载物极限落速更低,其减速效率高;组合伞系统的转速落速比更大,整体性能优于单伞系统。

涡环旋转伞开伞稳定性及减速导旋运动特性研究

通过理论分析和伞塔投放试验方法,研究了涡环旋转伞的开伞充气稳定性及其减速导旋运动特性。基于交汇摄影测速法及姿态存储测量法,获得了不同伞衣幅结构及伞绳连接方式对涡环旋转伞系统减速导旋运动的影响规律。试验结果表明,涡环旋转伞系统的平衡转速和平衡落速存在匹配关系,其比值k约为定值,提高该比值的关键是提高涡环旋转伞的导旋力矩,并且当载物的质量一定时,伞衣幅面积与平衡转速和落速成反比,而前后伞绳差的增大可以提高涡环旋转伞系统的平衡转速。

涡环旋转伞充气过程及气动特性分析

为了探索灵巧子弹药的减速导旋伞——涡环旋转伞的充气性能和气动特性,利用任意拉格拉日-欧拉流-固耦合方法,模拟一种典型涡环旋转伞在无限质量和低速气流条件下的充气过程,得到伞衣动态变化过程、转速和投影直径时程变化曲线及充满后稳态下的流场变化特性。将充满伞衣幅的有限元模型转化为气动特性仿真模型,利用计算流体力学方法得到涡环旋转伞在低速气流作用下的气动力参数及流场流线、压力分布等特性。将两种方法得到的结果进行对比分析,结果表明:涡环旋转伞在来流12 m/s时能顺利充气展开并实现旋转,伞衣幅充满外形饱满,稳定转速约为3.3 r/s;阻力系数为1.36,大于一般结构轴对称降落伞;导旋力矩系数为0.87;流场分布具有中心对称性。

横风对涡环旋转伞系统运动的影响

涡环旋转伞是一种常见的旋转降落伞,下落运动过程受横风的影响严重。基于伞塔实验的高速摄影和图像处理技术,提取涡环旋转伞系统水平和竖直方向的弹道数据点,结合弹道模型,利用遗传算法对气动力参数进行识别。文章分析了横风对涡环旋转伞系统弹道特性的影响,结果表明:涡环旋转伞的轴向力系数为1.02,大于一般其他类型伞;涡环旋转伞系统在横风作用下能很快达到稳定;横风对系统运动轨迹的影响较大,对落速和转速的影响较小。

涡激旋转下方柱小幅振荡模态的自由流线-边界层理论模型

针对刚体在流体中涡激旋转的数值结果表明,方柱在低雷诺数涡激旋转中有六种模态.本文针对其中的小幅振荡模态,通过综合无黏绕流情况下的自由流线理论与有黏平板的边界层理论,提出了一种理论模型;通过与浸没边界法所得数值结果进行对比,验证了该理论模型的有效性;并分析了小幅振荡模态的主要驱动力,解释了出现周期性振荡的原因.

黏度对油气混输泵内气相和泄漏涡分布的影响

为了更准确地探究油气混输泵在高黏度条件下输送介质时,其流道内常常存在的泄漏涡、分离涡等这些涡流的特性,文中选用欧拉-欧拉非均相流模型对油气混输泵内气相分布以及涡分布进行分析,并使用刚性旋转涡量表征涡旋强度.研究表明:在混输泵叶轮流道内,气相的存在较大地影响了叶片表面流线的分布规律.偏设计工况下,当黏度较小时气相主要集中分布在压力面后半段,当黏度较大时气相在压力面后段分布较少.不同工况下泄漏涡的分布规律都与气相分布吻合度较高,在偏设计工况下,其气相在流道尾部的聚集度和黏度成正比,但是在大流量工况下流道内局部的气相聚集得到了改善.此外,由于高黏度条件下流道内湍流黏度较低以及剪切涡较多,所以在考虑刚性旋转时的涡量分布更为准确.研究结果可为油气混输泵的优化设计等提供理论参考.

不同旋流情况对旋转流线涡燃烧室性能的影响

为探究不同旋流器位置和数目对航空发动机燃烧室性能的影响规律,运用FLUENT软件,采用计算流体力学法对某旋转流线涡燃烧室冷态流场和燃烧性能进行了研究。结果表明:相比于其他位置,旋流器距离燃烧室头部为88 mm时流线涡更稳定、更不易脱落,且燃烧效率最高,火焰长度也最短,燃烧效果最理想;旋流器数量的改变对压力损失和火焰长度的影响并不明显,但3个旋流器产生的涡范围更大,且会使空气与燃料掺混得更好,壁面温度场更加理想,燃烧性能更好。

涡向双进口起旋管内旋转流场的数值分析

针对涡向单进口旋转流起旋的偏心问题,提出了涡向双进口轴对称起旋技术,采用数值模拟方法对该起旋方式的流场进行分析。结果表明,涡向双进口起旋旋转流基本呈现轴对称衰减性旋转流场,改进了单进口起旋旋转流场偏心的问题。计算表明:涡向双进口旋流中心与管道中心基本重合,切向速度分布近似Rankine涡结构;轴向速度沿径向呈马鞍形分布;径向速度相对于切向、轴向速度小一个数量级,沿切向近似为正余弦分布。

高雷诺数湍流横侧射流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法研究横向主流与壁面射流均为高雷诺数的壁面横侧射流(JICF),采用动态Smagorinsky涡粘模型对亚格子尺度进行封闭。数值模拟结果中,近场和远场的平均速度、均方根值均与实验结果符合很好。瞬时压力等值面在射流迎风侧与射流迹线成正交关系,表明JICF近场迎风涡是由于射流出口上游剪切层Kelvin Helmholtz不稳定性引起的。基于长度尺度RD,Broadwell和Breidenthal提出了射流迹线公式,通过拟合数值模拟结果得到公式中常数A=1.35,B=0.3。采用平均流线、平均场涡量与Q准则分析三维涡旋结构。横向主流遇到射流后发生夹带现象,在射流出口下游受涡旋结构的影响发生卷起;平均涡量等值面表明,反向旋转涡对(CVP)的涡旋方向与射流出口下游马蹄涡两个分支的涡旋方向相反;由于横向主流和射流雷诺数较高,Q准则表征的涡旋结构在射流出口下游一倍射流直径位置开始发生破碎。

谱元法应用于涡声传播问题的研究

为了满足计算气动声学对低色散、低耗散高精度数值离散格式的需求,将高精度谱元法结合声比拟理论应用于求解气动声学问题。以伪声压的时间二阶导数作为非齐次波动方程的声源项,空间离散采用谱元法,时间离散应用隐式Newmark法,并在外边界采用C-E-M吸收边界条件,求解了由两个相距为2r0的等环量点涡组成的同向旋转涡对的发声问题。旋转涡对的不可压缩流场通过复位势理论获得,声源由流场量计算得来,并将数值结果与应用多级匹配展开法得到的解析解进行比较,可得数值解与分析解吻合较好。研究结果表明:应用高精度谱元法进行空间离散时,每波长的网格数为11时可达到很高的精度;网格数一定的情况下,时间步长越小得到的数值解与分析解之间的误差就越小;另外,证明了将伪声压对时间的二阶导数作为声源项,能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题。

圆环旋转黏性液体射流空间不稳定性研究

利用线性稳定性理论,进行了液体黏性对不同旋转强度下圆环旋转液体射流空间不稳定性影响的研究.在推导出的三维扰动下具有固体涡核型旋转速度分布的圆环旋转黏性液体射流色散方程的基础上,针对中低速射流,进行了类反对称模式与类对称模式下圆环旋转黏性液体射流的空间不稳定性分析.研究结果表明,对于旋转强度较大的圆环旋转液体射流,液体黏性的增加,不利于射流的破碎;随着液体黏性的增加,射流的特征频率和最不稳定波数减小.然而,对于旋转强度较小的圆环旋转液体射流,液体黏性的增加,有利于射流的破碎;随着液体黏性的增加,类反对称模式下射流特征频率先减小后增大,类对称模式下射流特征频率增大;随着液体黏性的增加,类反对称模式下射流最不稳定波数先减小后增大,类对称模式下射流最不稳定波数增大.

鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究

通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。针对沟槽表面流场的特点,在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理,并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。仿真结果表明,沟槽表面与顺流的"反向旋转涡对"相互作用,产生"二次涡",削弱了"反向旋转涡对"的强度,进而抑制了低速条带的形成和发展,从而降低湍流猝发强度,实现湍流减阻。

超声速横向射流三维流场结构特征

为了研究超声速燃烧室内燃料与空气快速掺混过程的流场特性,基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法和高精度WENO-TCD混合格式对来流马赫数为2.68,喷压比为36的超声速横向射流流场结构进行数值研究。数值结果清晰描述了超声速主流与横向射流相互作用过程的流场结构特征,得到了三维激波形态的演变规律以及它们在强化混合过程中的作用。另外,因桶形激波背风面低压区处的斜压效应,射流气体在桶形激波背风面形成一对螺旋向上的反向涡对,反向涡对的卷吸作用诱导进入壁面边界层的主流向上运动,形成冲击射流。冲击射流以v=557m/s的法向速度向上冲击桶形激波背风面,因而在桶形激波背风面留下类三角锥面凹痕。

数值模拟研究燃烧室冷态流场结构

运用超大涡模拟(VLES)方法对燃烧室冷态流场开展了数值模拟,研究流场中大尺度涡旋结构.选取圆管内有旋流动为基准算例开展数值模拟研究,与实验结果的比较验证了VLES方法的精度.计算结果表明,燃烧室内回流区形状合理.燃烧室中大孔射流与横向来流的相互作用形成了反向旋转涡对结构,Rothstein提出的射流迹线公式能够合理预测主燃孔的射流穿透.进动涡核(PVC)发源于燃烧室头部旋流器装置内部,基于功率谱密度预测了PVC引发流场振荡的特征频率.

低层暖平流强迫下两次大冰雹超级单体风暴结构特征分析

2020年3月21日和5月4日在低层暖平流强迫背景下湖南怀化出现两次罕见的6 cm大冰雹。基于常规气象资料和多普勒天气雷达资料,对这两次大冰雹过程的超级单体风暴的强度结构、动力场结构进行分析。结果表明:(1)两次过程均发生在低层暖平流强迫背景下,中等强度对流有效位能、大的深层垂直风切变和高的能量螺旋度,有利于风暴组织性发展与维持,地面辐合线是主要触发因子。(2)6 cm冰雹均发生在超级单体风暴强烈发展初期,由无中气旋特征的“类超级单体”造成,出现钩状回波、旁瓣回波以及三体散射和回波悬垂等特征。(3)风暴强烈发展阶段垂直动力场均表现出低层辐合、中层气旋性旋转和反气旋旋转并存的双涡管式旋转、高层辐散特征。(4)大冰雹降落前风暴最大反射率因子和单体垂直累积液态水含量均达到67 dBz和69 kg·m^(-2)。强中心高度和最强切变高度的下降均反映出冰雹的降落。